在此前的文章中，我们对氢能这种优质的清洁能源有了初步认知，了解了氢能在未来能源结构中的重要地位。随着氢能需求的进一步扩展，高效制氢成为了氢能大规模应用的基础保障。
本文将围绕几种不同的制氢方式，对“氢的制取”这一主题进行深入探讨。
氢能回顾
政策奠定氢能产业地位：
1）氢能在使用过程中能够实现零碳排放，在我国双碳政策的落实和推进中，成为了能源结构转型的重要方向。
2）2022年3月23日，国家发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035）》，提出将氢能作为国家能源体系的重要组成部分；同时提出氢能是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。
作为清洁能源，氢能有许多显著优势：氢能产物只有水，能实现低碳或零碳排放。此外在其他方面氢能优势显著，如制取方式多样、易于储存和运输、高效以及应用场景多样等。
氢能的制取方式对比
1）分类
氢气分类：依据制取方式和过程中碳排放量的不同，氢气可分为化石能源燃烧产生的灰氢、通过碳捕集和封存技术来减少碳排放制取的蓝氢，以及由清洁能源和可再生能源制取的绿氢。
制氢方式分类：制氢方式多样，作为可再生的二次能源，氢可以来源于化石能源重整、生物质热裂解、微生物发酵、工业副产以及电解水等多种途径。下文将以上方式梳理为5大类分别进行阐述。
2）几种不同制氢方式详解
· 焦炉煤气制氢
过程：焦炉煤气制氢采用变压吸附回收焦炉煤气的氢，其主要原理是使用固体吸附剂来选择气体吸附，并且随着气压的下降，气体在吸附剂中的吸附特性会降低。
优点：工艺简单、技术成熟，供给释放潜力大。从供应潜力看，国内煤化工行业发展成熟，煤制氢产量大且产能分布广，并且由于其产能适应性，可提供量大、可调节的氢源。
缺点：面临焦炭供给减少带来的原料气下降的影响。焦炉煤气是炼焦副产品，国内焦炭供给进入了平台区，2018年《打赢蓝天保卫战三年行动计划》推进国内重点地区焦炉淘汰工作以来，节能、降碳压力巨大，焦炉煤气制氢面临原料气减少带来的影响。
焦炉煤气制氢作为化石能源制氢，面临碳排放压力。焦炉煤气制氢装置产生的碳排放包括焦炉煤气吸附后，剩下的CH4替代氢气燃烧产生的碳排放；能耗产生的碳排放；以及焦炉煤气制氢电耗产生的碳排放。
· 煤气化制氢
过程：煤在高温常压或加压下，与气化剂反应转化后产物中含H2、CO等组分；然后经过净化、CO变换和分离、提纯等处理而获得一定纯度的产品氢。
优点：有成本和资源优势。2020年国内煤炭储量1432亿吨，相比天然气、石油等能源，我国煤炭资源储量相对丰富。2021年国内原煤产量41.3亿吨，同比5.84%。按照制取1吨氢需要7.5吨褐煤，国内褐煤资源储量能够生产10.84亿吨氢气。
缺点：传统煤制氢下游需求趋弱，且同样面临碳排放约束。煤制氢主要应用于汽油加氢、粗柴油加氢、燃料加氢脱硫以及合成氨等产品。2019年以来随着交通运输电动化渗透率的提升，对汽油、柴油消费需求趋弱；同时制氢过程中的碳排放也面临减碳压力。
· 天然气制氢
过程：天然气制氢是以天然气为原料,用水蒸气作为氧化剂,来制取富氢混合气。
优点：生产技术成熟，生产规模可选择性较大。一方面这种制氢方式运行安全可靠，操作控制稳妥实用，自动化程度高，占地面积小，投资较低，基本无“三废”排放，反应热和余热能够充分利用，装置能耗显著降低；另一方面生产规模的选择性较大，标准状态下400m3/h～200000m3/h。
缺点：我国天然气进口依赖度高，资源相对不足。世界能源统计数据显示，2020年我国天然气产量194十亿立方米，消费量330.6十亿立方米；进口天然气138.4十亿立方米。我国天然气进口依赖度高，资源相对不足。且天然气在消费结构中城市用气占比较大，用来制氢的供给紧张。
· 甲醇制氢
过程：原材料是二次能源产品。甲醇制氢的常用方法有:甲醇裂解、甲醇部分氧化重整以及甲醇水蒸气重整。
优点：技术发展成熟。甲醇制氢工艺流程简单,运行条件限制较少,原料利用率高,主体设备为简单常见的设备,无特殊材质要求,操作维护比较简单，我国甲醇制氢技术非常成熟。
缺点：制氢将面临下游其他行业对资源挤占，存在一定程度进口依赖。甲醇作为一种重要的有机化工基本原料，下游领域应用广泛。其中烯烃2021年占比50.6%，燃料需求占比15.7%，其他需求领域较为分散。近三年甲醇产能增速趋缓，对进口较为依赖，进口量均超过千万吨。
甲醇价格波动较大。国内甲醇价格受开工率影响较大，2021年三季度国内能耗双控期间甲醇价格出现大幅波动；在个别季节性限产时间段，甲醇价格波动更大。
· 电解水制氢
过程：水电解制氢是施加外电流使水发生电化学反应分解为氢气与氧气。根据使用的电解质不同，主要可分为碱性电解水（ALK）、质子交换膜电解水（PEM）和固体氧化物电解池电解水（SOEC）三大类。
优点：用可再生能源发电来电解水制氢，能够实现零碳排放；电解水制氢的技术相对成熟，是发展绿氢的重要手段。
缺点：现行技术条件下，电解水制氢成本较高。PEM电解水总体效率更高，动态响应速度更快，是较优的水电解制氢技术，但是投资和运行成本高制约PEM电解水制氢发展。当前降本途径之一是新能源发电成本的下降。预计到2030年新能源发电成本降至0.2元/KWh时，“绿氢”成本基本可接近20元/kg的水平。
3）制氢方式对比
综合对比几种制氢方式，从碳排放、能量转换以及成本来看，低排放、高效率的绿氢，尤其是水力、风能电解制氢是未来的主要方向。
可再生能源制氢是发展重心，但也需要克服成本问题。2018年煤制氢的价格约在1.2-2.2美元/千克，而绿氢的价格高达3-7.5美元/千克。
4）我国氢能制取情况
· 现状
我国氢气主要来源于化石燃料。截至2021年中，我国氢气来源主要包括煤、焦炉煤气、天然气、甲醇、烧碱等，其中煤制氢达到2388万吨/年，占接近六成；焦炉煤气制氢产能达到811万吨（20%）。
· 未来展望
氢能需求未来将持续增长。2012-2020年，我国氢气产量的年均增速约为5.7%；中国氢能协会预测，氢能产业链产值在2050年将达到12万亿元，年均增速12.6%。
首先，提高绿氢占比。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书2019》预计到2050年，可再生能源电解水制氢将成为主要的氢气来源，预计绿氢占比达到70%以上。
其次，实现绿氢平价。中国氢能联盟专家委员会主任余卓平分析，随着我国新能源发电装机成本降低，到2025年绿氢成本将降到约25元/千克；2030年低至15元/千克，可以与现在化石能源加上碳捕集技术制氢的价格进行竞争。
同时，要更广泛、高效地应用绿氢。能源转型委员会预测2050年在氨和甲醇制取上，氢气渗透率将达100%；2050年氢气消费结构中，43.2%的氢气将被用于交通领域，工业占比为27.3%，发电和热力占比分别为9.8%和16.7%。
小结
对比几种不同的制氢方式之后，高效清洁的绿氢脱颖而出。面临我国仍旧是以碳排较高的化石燃料制氢为主、以及绿氢制取成本较高的现状，绿氢平价以及多场景推广使用将会是氢能制取下一阶段的发展重心。
东海基金
科技行业研究员
张立新
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